Atomikelloja

Atomikellot ovat erittäin tarkkoja ajankohdan mittauslaitteita, jotka perustuvat atomin sisäisten energiatilojen välisen siirtymän taajuuden mittaamiseen. Yleisimmin käytetty standardi perustuu keisium-133:n hyperfainen siirtymä. Vuoden 1967 SI-standardi määrittelee sekunnin siten, että keisium-133:n kyseisen siirtymän 9 192 631 770 jaksoa vastaa yhtä sekuntia.

Toimintaperiaate perustuu siihen, että atomin siirtymäresonanssiin käytetään vakaata, tarkasti säädeltyä mikrobaltosignaalia. Kun atomeja muun muassa keisiumia altistetaan tietyllä taajuudella, niiden siirtymäreaktio vaikuttaa signaalin voimakkuuteen. Tämä signaali eksaktilla tavalla kytketään takaisin kelloa ohjaavaan oskillaattoriin, jolloin osoittautuu taajuus pysyvästi vakaaksi ja tarkaksi suhteessa atomin omaan taajuuteen. Lopulta syntyvä taajuus toimii ajallisen tahdin perustana.

Kellotyyppejä on useita. Perinteiset keisiumin mikroaaltokellot jakautuvat beam- ja fountain-tyyppeihin, joista fountain-kellot käyttävät kylmäatomeja ja tarjoavat parempaa vakautta. Vety-maserit (hydrogen masers) toimivat korkeasti vakaana rinnakkaisena viiteen ajanlähteenä. Viime vuosina kehittyvät optiset kellot käyttävät valon taajuuksia, esimerkiksi strontium- ja yttriumatomeja, ja ne ovat saavuttaneet huomattavasti pienemmät epävarmuudet kuin perinteiset mikroaaltokellot.

Tarkkuus ja määritelmä ovat kehittyneet: mikroyysikellot ovat tällä hetkellä noin 10^-16–10^-17, kun taas optiset kellot voivat ylittää 10^-18-tason tarkkuuden lyhyillä mittauksilla, ja tutkimuksessa on saavutettu vieläkin pienempiä epävarmuuksia.

Sovellukset kattavat navigaatiota (GPS- ja muiden satelliittijärjestelmien synkronointi), telekommunikaation aikavälin hallinnan, suurten verkkojen synkronoinnin sekä tieteelliset kokeet kuten relativistiset testit ja gravitaatiomittaukset. Kansainvälinen standardointi ja timing-keskukset, kuten BIPM, ylläpitävät maailmanlaajuista aikastandardia, ja projektit kuten ACES tutkivat kellosynkronointia avaruudesta käsin.